Текст книги "Юный техник, 2001 № 12"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 6 страниц)

ЖУРНАЛ «ЮНЫЙ ТЕХНИК»
_{НАУКА ТЕХНИКА ФАНТАСТИКА САМОДЕЛКИ}
№ 12 декабрь 2001

Популярный детский и юношеский журнал.

Выходит один раз в месяц.

Издается с сентября 1956 года.

ГОРОД МАСТЕРОВ
Ввысь к звездам!

Любая машина, механизм, аппарат зарождается, как известно, в фантазии конструктора. Затем ее детали прорисовываются на листе ватмана, просчитываются, выверяются. Но оживет новая машина лишь тогда, когда будет выполнена «в железе». И дальнейшая ее судьба едва ли не в первую очередь зависит от того, удалось ли специалистам-материаловедам угнаться за мечтой конструктора.

Для авиации материалы поставляет ВИАМ – Государственный научный центр «Всероссийский институт авиационных материалов». Вскоре он будет отмечать свой 70-летний юбилей.

С какими результатами подходят сотрудники центра к этой знаменательной дате? Какие трудности преодолевают? Каковы их планы?..

Чтобы узнать об этом, наш специальный корреспондент Станислав ЗИГУНЕНКО побывал на славном предприятии.

И вот что узнал…

1. Как выращивают детали?

– Приказ об образовании нашего предприятия был подписан 28 июня 1932 года, – показал нам в заводском музее копию документа Генеральный директор ВИАМа, член-корреспондент РАН, профессор и лауреат многих премий Евгений Николаевич Каблов. – Но скажу по секрету, что он запоздал. Еще в 1931 году будущими сотрудниками ВИАМа, И.И. Сидориным и Г.В. Акимовым, была начата разработка первой в нашей стране высокопрочной стали «хромансаль», а будущий академик А.А. Бочвар разработал теорию рекристаллизации алюминиевых сплавов…

С той поры решение основных проблем создания новых сплавов, обуздания коррозии металлов не обходилось без сотрудников ВИАМа. И сегодня мы имеем сплавы, которых больше нет нигде в мире.

По заявлению специалистов всемирно известной американской компании «Дженерал Электрик», наши технологии и по сей день в 30 раз эффективнее тех, что применяются на Западе. Например, главные детали современного реактивного двигателя – лопатки компрессора высокого давления и газовой турбины и некоторые другие – сегодня не штампуют, не вытачивают, а… выращивают.

Температура рабочего газа в камере сгорания достигает 1700–1800 °C, то есть превосходит температуру плавления самого материала, из которого делаются стенки камер и лопатки газовых турбин. Приходится прибегать к их интенсивному охлаждению. Но если снизить температуру камеры довольно просто – стенки ее неподвижны, то с вращающимися с огромной скоростью лопатками дело обстоит куда сложнее.

А если лопатку, потерявшую от нагрева прочность, сорвет с ее места, бед она может натворить не меньше, чем артиллерийский снаряд.

Поэтому для большей прочности лопатки ныне не вытачивают, а выращивают из особых сплавов. Создают в специальных камерах условия, при которых происходит кристаллизация металла из расплава, и постепенно выращивают деталь нужной формы.

Как это делать – целая наука. И сотрудники ВИАМа ею владеют в совершенстве. Однако мало этого. Для лучшего охлаждения лопаток до недавнего времени их приходилось делать полыми, с двумя стенками – спинкой и корытом. А через внутреннюю полость прогоняли поток охлаждающего воздуха. Однако такое решение намного усложняет технологию производства лопатки. Ведь в идеале ее прочность будет наивысшей, когда деталь целиком выращена из одного монокристалла, а тут – полость… Прочность при этом, естественно, существенно снижается. Как быть?

«Надо заставить лопатку… попотеть!» – решили технологи. В самом деле, как решает проблему охлаждения, скажем, наш организм. Во время интенсивной работы поры кожи расширяются, через них выделяется пот, унося с собой излишнее тепло. Аналогичной способностью наделяют теперь и лопатки. Каждую из них выращивают из цельного монокристалла, без пустот. Но сам кристалл пронизан тончайшими канальцами диаметром 0,2–0,3 мм, сквозь которые и прогоняют охлаждающий газ. Лопатка как бы «потеет». Причем с нагревом расширяются и «поры». Охлаждение становится интенсивнее. Что, как говорится, и требовалось доказать…

В этой печи получают уникальные сплавы для авиационной промышленности. Об особенностях своей работы рассказывает сталевар В.К. Мухотин.

Профессор С. Н. Мубояджян демонстрирует готовые лопатки, выполненные по последнему слову техники.

Из этих заготовок потом будут изготовлены лопатки для авиадвигателей.

2. Про титанов и титан

Полвека назад в ВИАМ пришел бывший сотрудник торгпредства СССР в Великобритании С.Г. Глазунов. И занялся разработкой… титановых сплавов. Именно им и его новыми коллегами были созданы первые отечественные титановые сплавы, создана технология их плавки. А его коллега, академик И.Н. Фридляндер, придумал теорию легирования высокопрочных алюминиевых сплавов, вместе с членом-корреспондентом Академии наук Р.Е. Шалиным создал первые бериллиевые сплавы.

Все это потом пригодилось при создании знаменитой «сотки» – сверхзвукового бомбардировщика Т-4 конструкции П.О. Сухого. Ныне эту машину можно увидеть на поле авиационного музея в Монине. Несмотря на то, что со времени создания этой машины минуло уж 40 лет, она и поныне производит впечатление. Еще бы! Ведь эта машина, на 70 % состоящая из титана, была способна развивать скорость 3 М, втрое больше скорости звука.

Именно на «изделии 100» впервые были испробованы многие новинки сверхзвуковой авиации, в частности, отклоняющийся при посадке нос и крылышки в передней части фюзеляжа. Новинкой была и сама схема «бесхвостки», и треугольное крыло… В общем, говорят, «сотка» не случайно получила такое наименование – ее конструкция была новой на все 100 %! Заложенные в нее конструкторские решения и поныне используются, например, в конструкции сверхзвукового самолета Ту-160.

Сотрудникам же ВИАМа «сотка» запомнилась тем, что при ее изготовлении им впервые в мировой практике пришлось осваивать технологию сварки титана. Его, как и алюминий, обычными методами не сварить. Вот и пришлось для сварки строить особый заводской корпус, создавать скафандры для сварщиков, которым приходилось работать в специальной атмосфере.

Ничего, справились. Титановые шасси и по сей день умеют делать только в России. А технология создания титановых баков потом пригодилась при строительстве первых космических аппаратов.

«Измерительной технике ВИАМа могут позавидовать многие научные учреждения страны», – рассказывает директор ВИАМа Е.Н. Каблов.

3. Разумные материалы

Ныне все чаще при изготовлении новых летательных аппаратов применяют не металл, а композитные материалы. И тут сотрудники ВИАМа сказали свое веское слово. Вспомним хотя бы эпопею с созданием космического челнока «Буран» в конце 80-х годов XX века. Знаменитые термоизоляционные плитки, которыми была обклеена нижняя часть космического самолета, создавались здесь же, в ВИАМе. Причем, как показали позднейшие сравнительные испытания, наша плитка оказалась лучше, чем у американцев. Хотя пришлось ее создавать буквально с нуля.

– Ее главная особенность – плитка состоит на 93 % практически из воздуха, – пояснил руководитель одного из научно-технологических комплексов ВИАМа Г.М.Гуняев. – Остальное приходится на кварцевые волокна. Только для одного такого летательного аппарата понадобилось 38 000 таких плиток. Носки же крыла и фюзеляжа, где уже и плитка не выдерживала нагрева, были выполнены из тугоплавкого графитового материала.

Ныне сотрудники ВИАМа шагнули еще дальше. Нам продемонстрировали детали из материала «тигр». Название экзотическое, но логичное: так называется композит на основе ТИтана и ГРафита.

Сейчас авиаконструкторы ведущих стран мира напряженно работают над созданием истребителя пятого поколения. В частности, в скором будущем наши специалисты намерены продемонстрировать своим зарубежным коллегам свои перспективные машины Су-49 и Су-52, целиком выполненные из композитов на основе углерода. Материалы для них успешно проходят испытания в конструкции экспериментальной машины ОКБ им. П.О. Сухого с крылом обратной стреловидности С-37 «Беркут».

– В основе конструкции лежат так называемые интеллектуальные материалы, которые самостоятельно откликаются на физические воздействия, – пояснил профессор Георгий Михайлович Гуняев. – Например, крыло меняет свою форму таким образом, чтобы наилучшим образом соответствовать данным аэродинамическим условиям, оптимизировать угол атаки независимо даже от воли летчика, автоматически. В итоге удается избежать сваливания в штопор и прочих неприятностей…

Причем новые материалы проявили себя наилучшим образом при полетах не только в дозвуковом, но и в сверхзвуковом режимах. Накопленный опыт теперь используется и для изготовления крыльев больших самолетов. Законцовки плоскостей выполняются на них из композиционных материалов и работают таким образом, чтобы снизить нагрузки на корневую часть крыла. Только за счет этого удалось облегчить летательный аппарат на 3500 кг.

Исходным материалом для изготовления композитов может послужить и стеклоткань.

4. Открытия для покрытий

Профессор Эдуард Константинович Кондрашов рассказал нам об авиационных покрытиях. Казалось бы, невелика хитрость – покрасить самолет. Однако даже для забора надо правильно подобрать краску. Что же тогда говорить о летательном аппарате?

Вот лишь перечень некоторых требований к авиационному покрытию. Оно должно надежно держаться на покрываемой поверхности во всем диапазоне температур и скоростей. Предохранять поверхность от коррозии. Не ухудшать, а хорошо бы – улучшать аэродинамическое обтекание машины. Не быть тяжелым – а то ведь только при окраске самолет может потяжелеть на 200–300 кг.

И это примерный набор лишь так называемых общих требований конструкторов. А есть еще и специальные. Например, чтобы покрытие обеспечивало малую радиозаметность машины, поглощало и рассеивало лучи радаров. Чтобы краска еще и от радиации защищала… или меняла цвет при изменении температуры… И сотрудники ВИАМа не теряются.

– Нам приходится иметь дело практически со всей таблицей Д.И. Менделеева, – подвел итог своему рассказу Э.К. Кондрашов. – Да и бионикой тоже интересуемся: как, скажем, работает механизм изменения окраски у того же хамелеона, что у него можно позаимствовать?..

И это лишь одно из перспективных направлений. Из других отметим хотя бы использование волокон в авиационных конструкциях. Говоря упрощенно, некоторые детали и узлы авиационной техники в будущем намерены… ткать, подобно тому, как ткут ныне ткани. И такие материалы обещают быть еще прочнее нынешних композитов, в их структуру еще в процессе изготовления будут закладывать всевозможные датчики и микроэлектронные устройства. Ну а там, глядишь, дойдут и до того, чтобы выращивать из расплавов не только лопатки турбин, но и готовые узлы, и даже целые машины. Последние достижения нанотехнологии позволяют на это надеяться.

И можно быть уверенными, одними из первых в мире эти новинки опробуют, начнут активно использовать сотрудники Государственного научного центра «Всероссийский институт авиационных материалов».

ИНФОРМАЦИЯ

ОТКУДА БЕРЕТСЯ МЕТАН? Раньше полагали, что запасы природного газа метана связаны преимущественно с нефтяными залежами. Однако пять лет назад российские и швейцарские геологи открыли скопления природного газа в подземных горизонтах, где нефти мало, но циркулируют горячие солевые растворы.

Н.В. Верховцева, доктор биологических наук из Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, полагает, что горючий газ выделяют архебактерии, живущие в подземных водах. Это подтверждают исследования пластовых вод, взятых из Воротиловской глубокой скважины в 70 км к северу от Нижнего Новгорода. В образцах, отобранных с глубин от 1,5 до 4,5 км, обнаружили архебактерии, выделяющие метан. Они живут при температуре от 30 до 80 °C в растворах, насыщенных хлоридными и сульфатными солями кальция, натрия и магния.

КАБЕЛЬ, КОТОРЫЙ НЕ ГОРИТ, разработан в Научно-техническом центре кабельной промышленности (ОАО «ВНИИКП»). Его изоляция способна не разрушаться как минимум 3 часа при температуре 1000 °C! Это достигается применением в качестве изоляции слюдяной ленты элмикатекс. Первая партия новых кабелей выпущена на Подольском кабельном заводе для вагонеток на электрической тяге, которыми сгружают руду в плавильные печи. В дальнейшем их предполагается прокладывать всюду, где есть опасность разрушения сетей электропитания из-за повышенной температуры. К сказанному остается добавить, что наши кабели втрое дешевле импортных, хотя и не уступают им по качеству.

БАКТЕРИИ ПРОТИВ ЯДА. Российские ученые из Института микробиологии под руководством члена-корреспондента РАН Г. И. Каравайко выделили микроорганизмы, устойчивые к высокой концентрации цианидов – одного из самых токсичных соединений на Земле, применяющихся на золотодобывающих предприятиях и гальванических производствах. Теперь цианистые стоки промышленных предприятий можно обезвреживать с помощью этих микроорганизмов, которые быстро разлагают яд на безвредные вещества.

УВИДЕТЬ АРТЕРИАЛЬНОЕ ДАВЛЕНИЕ позволяет компьютерный тахоосциллоскоп СКАД-2, разработанный московскими специалистами из ООО «Констэп-МТ». Этот небольшой приборчик, в отличие от обычных устройств для измерения артериального давления, дает возможность подключения к персональному компьютеру. На экране дисплея при этом тотчас появляется характерная кривая, помогающая врачу лучше диагностировать возможное заболевание пациента.

КОСМИЧЕСКИЙ ТОМОГРАФ, позволяющий ежедневно измерять толщину озонового слоя, создали ученые Московского инженерно-физического института. «С помощью нового прибора мы видим атмосферу и все ее неоднородности, в том числе и озонные дыры, подобно тому как врач видит на экране томографа внутренние органы человека», – сказал один из разработчиков прибора, Владимир Ворог. Принцип же работы прибора в том, что он регистрирует мощность и направление движения частиц мюонов, приходящих из космоса и пронзающих атмосферу Земли, подобно тому как рентгеновские лучи проходят сквозь тело человека.

ПРЕМИИ
Конденсат Бозе-Эйнштейна получен. Зачем он нужен?

Решения, принимаемые Нобелевским комитетом, нередко подвергаются и критике. Скажем, наиболее серьезные нарекания вызывает тот факт, что премий, как правило, удостаиваются весьма пожилые ученые за работы, которые они выполнили 20–30 лет, а то и полвека назад.

И вот в нынешнем году, в столетний юбилей самой престижной научной премии мира, произошло приятное исключение. Лауреаты 2001 года в области физики относительно молоды – самому старшему из них 50 лет, а младшему – 39. А отмеченные премией работы были выполнены на протяжении последних шести лет.

В погоне за пятым состоянием

Все трое физиков-лауреатов – американцы Эрик Корнелл и Карл Вейман и немец Вольфганг Кеттерле – работают в США. В пресс-релизе Нобелевского комитета сказано, что они удостоены премии за получение конденсата Бозе – Эйнштейна в разреженных газах из атомов щелочных металлов и за исследование свойств этого конденсата.

Говоря проще, речь идет об исследованиях особого, пятого, состояния вещества, добавившегося совсем недавно к известным – твердому, жидкому, газообразному и плазменному.

Принципиальная возможность перевода вещества в такое состояние при охлаждении до температур, вплотную приближающихся к абсолютному нулю, была предсказана индийским физиком Ш. Бозе и знаменитым А. Эйнштейном еще в 1924 году. Однако получить конденсат на практике физикам удалось лишь 6 лет назад. Главная проблема заключалась в том, чтобы добиться глубокого охлаждения вещества. Температуру газа следовало довести до уровня, всего на несколько стомиллионных долей градуса превышающего абсолютный нуль.

Для достижения таких температур обычные холодильники, конечно, не годятся. И даже турбодетандеры, сжижающие гелий, азот и другие газы, не помогут. В конце концов решили использовать комбинации двух методов глубокого охлаждения, разработанных относительно недавно: лазерного охлаждения и охлаждения испарением.

Экспериментаторы тормозили атомы газа магнитными ловушками, затем замедляли их движение, заставляя продираться сквозь густосплетение множества лазерных лучей. А далее, опять же лазерным лучом, отгоняли самые быстрые горячие атомы, пока не осталось сколько-то окончательно замерзших, обездвиженных. Полученный таким образом конденсат представлял собой висящее в магнитно-оптической ловушке газовое облачко, состоящее из 2000 атомов рубидия. Причем облачко это имело температуру, лишь на две стомиллионных доли градуса превышавшую абсолютный нуль.

Главная особенность данного конденсата, как установили, состоит в том, что образующие его атомы при таких температурах переходят на самый низкий энергетический уровень из всех возможных. Все они теряют свою самостоятельность и начинают вести себя, словно один гигантский атом. Образуется совершенно необычное вещество, являющееся в то же время волной, как любая элементарная частица.

Принципиальная схема атомного лазера.

Сначала бозе-конденсат удерживается магнитной ловушкой (а). У всех атомов при этом электронные спины направлены параллельно магнитному полю (условное направление «вверх»). Затем короткий импульс высокочастотного излучения «наклоняет» спины атомов (Ь). Согласно принципам квантовой механики, «наклоненный» спин является суперпозицией (смесью) состояний «спин-вверх» и «спин-вниз». Атомы со спином «вниз» тут же выталкиваются магнитным полем. Атомная «капля» «жидкого света» выводится из магнитной ловушки (с) и затем расширяется, устремляясь к цели (d).

Преимущества атомного лазера

Первыми достигли желаемого результата американцы. Немец Кеттерле был разочарован, узнав, что Корнелл и Вейман его опередили. Однако решил продолжать собственные эксперименты. На то были, впрочем, особые причины. Во-первых, он шел своим путем. Во-вторых, в своих опытах он использовал атомы натрия, а не рубидия. И спустя три месяца он тоже добился желаемого результата. Причем ему одним махом удалось получить в 100 раз больше конденсата, чем конкурентам.

Кроме того, Кеттерле пошел дальше. На основе конденсата Бозе – Эйнштейна он решил построить атомный лазер. И создал его в 1996 году.

В отличие от света, испускаемого обычной лампочкой, лазер, как известно, испускает когерентное излучение. То есть все испускаемые им фотоны имеют одну и ту же энергию, длину и фазу волны. Если вместо света использовать синхронизированные атомы – как раз такие, что составляют конденсат Бозе – Эйнштейна, – можно говорить об атомном лазере, обладающем большей эффективностью, нежели обычный.

Между оптическим и атомным лазерами есть как аналогии, так и различия. Аналогом активной среды оптического лазера в атомном выступает бозе-конденсат из ультрахолодных атомов. В обоих случаях внешняя энергия приводит в конце концов к тому, что из активной среды вырывается когерентное излучение.

Но происходит это не в результате спонтанного излучения атомов активной среды, как в оптическом лазере, а вследствие более сложного взаимодействия атомов, которое приводит к образованию своеобразных капель «жидкого света». Они обладают чуть меньшей скоростью, нежели фотоны, зато намного большей энергией.

Использовать вместо луча света пучок атомов предлагалось еще четверть века тому назад, когда в Америке началась разработка программы «Звездные войны». Такая замена резко бы увеличила мощность луча, что было необходимо для оружия, подготавливаемого для войн в космосе. Но интересен он не только мощностью.

Часть физиков утверждает, что с их помощью можно будет вести изготовление микросхем с такими возможностями, о которых мы сегодня и мечтать не смеем. Ведь новый инструмент позволяет распоряжаться атомами поштучно, выстраивая из них, словно из кирпичей, какие угодно ансамбли.

А совсем недавно в Институте квантовой оптики имени М. Планка был создан микрочип величиной в почтовую марку. Он заключен в резервуар и содержит миниатюрную оптическую ловушку, которая позволяет получать конденсат Бозе – Эйнштейна. Говорят, такой микрочип может стать основой компьютеров шестого поколения с невиданными ранее возможностями по быстродействию.

Наблюдение когерентности бозе-конденсата.

В магнитной ловушке создается «атомный снежок» сигароподобной формы (а). С помощью лазерного луча конденсат разрезается на две части (Ь). Затем магнитное силовое поле отключается, и обе половинки падают вниз, постепенно «наезжая» друг на друга. В области перекрытия возникает четкая интерференционная картина (с), которая наблюдается на экране с помощью оптического лазера (d).

_{Публикацию по иностранным источникам}

_{подготовил С.НИКОЛАЕВ}